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粒线体DNA(Mitochondrial DNA)

作者:   发表于:2020-07-29  分类:D泰生活 


真核细胞中大多数的DNA位在细胞核内(nuclear DNA,以下简称为nDNA),粒线体DNA(mitochondrial DNA,以下简称为mtDNA)则是指粒线体内的环状DNA。在1960年代,两位那斯(Margit Nass & Sylvan Nass)利用电子显微镜发现粒线体内有一些丝状构造,容易被DNA酶所分解;另外有三位科学家(Ellen Haslbrunner, Hans Tuppy & Gottfried Schatz)利用生化分析的方式,研究纯化的粒线体碎片后找到mtDNA。

mtDNA和nDNA具不同的演化来源,根据「内共生学说」,粒线体是被真核细胞吞噬的共生细菌(symbiotic internal bacteria),经过长期演化,变成细胞的胞器,如此说来,mtDNA是来自细菌的环状染色体。现生生物体内细胞中粒线体所需的蛋白质,大多数是由nDNA所製造,mtDNA只负责合成部分的蛋白质。细胞分裂时,细胞质的粒线体随机地分给子细胞,数目不一定对等。分裂后子细胞只要有几个粒线体,便可以自行複製到所需要的数量为止。mtDNA複製时,需要第15号染色体的基因控制其複製酶,因此不同细胞所含的粒线体数目不一,差异极大。代谢旺盛的心肌细胞中粒线体几乎佔细胞的一半,其次为神经、肌肉、骨骼及内分泌细胞,成熟红血球的粒线体则几乎消失。

人体每个单一的粒线体中,大约具有2~10套mtDNA,mtDNA基因体已全部定序,标準的剑桥排序(Cambridge sequence)有16,548个硷基对。mtDNA双股配对硷基为AT及CG,和nDNA的基因及功能大致相似。在64个代表胺基酸的密码子(codons)中,mtDNA与nDNA有4个密码子不同(见表一、nDNA与mtDNA的比较)。mtDNA共有37个基因,包括13种和有氧呼吸有关的蛋白质基因,2个核糖体次单位中rRNA的基因,以及22个tRNA基因。

mtDNA基因体比nDNA更容易突变,其机率是nDNA的10倍。一方面由于粒线体本身少有修护mtDNA的能力,另一方面是粒线体在电子传递的过程中,逸出的电子会与氧分子结合成超氧自由基(superoxide free radicals),破坏mtDNA的硷基而造成突变。

正常情况下,人体的mtDNA是由母亲遗传给子代,称为母系遗传,也就是外祖母、母亲、兄弟姊妹、和阿姨所生的子女都会有相同的mtDNA。这是因为受精卵只从卵细胞获取大约1000个粒线体,精子粒线体因集中在尾部,受精的那一刻被抛弃在受精卵之外;即使少量精子粒线体进入卵细胞,也会遭到破坏。这个特性使得人类mtDNA可以用在身分的鉴定,法庭上经常使用mtDNA来鉴定放置较久的人体遗骸,特别是未破案的无名尸骨,虽然mtDNA较不具有个体的专一性,但由于mtDNA套数较nDNA更多,样本取得容易,有些专家认为mtDNA较nDNA更适合用来鉴定身分。美国有名的罪犯杰希.詹姆斯(Jesse James)的遗体就是利用这个方法确认,俄国最后一位女皇(Alix of Hesse) 和他的孩子也是利用mtDNA鉴定出他们的身分和亲属关係。

此外,mtDNA母系遗传的特性,也提供考古学上分子生物学的证据。考古学家推算,人类与黑猩猩大约在600万年前分开演化。比对mtDNA的差异,推算出mtDNA大约每40代会产生一个新的硷基突变,这就是粒线体时钟(mitochondrial clock)或DNA分子时钟(DNA molecular clock)的计时方式。一个族群存在愈久,累积的变异愈多,mtDNA就越複杂。现代非洲人有最複杂的mtDNA,其次为亚洲人,欧洲人的mtDNA多样性为非洲人的一半。分析mtDNA变异型可用来推测小族群迁徙的途径。柏克莱大学Allan Wilson等人推论:所有人类粒线体的共同祖先(粒线体夏娃)在15万年前即出现在非洲衣索比亚,离开非洲后分成两支:一支进入亚洲,一支进入欧洲。进入亚洲后,即沿中亚、南亚、东亚迁徙,另一支沿北亚迁徙进入北、中、南美洲,这些路径都可以藉由mtDNA的比对来推演。
粒线体DNA(Mitochondrial DNA)

粒线体DNA(Mitochondrial DNA)
图一、mtDNA(维基百科)

参考文献:
维基百科http://en.wikipedia.org/wiki/MtDNA
何敏夫,认识粒线体DNA,医检论坛,www.labmed.org.tw/member/PDF/20-24%20认识粒线体DNA.pdf